Теплотехнические расчеты

Теплотехнические расчеты выполняются после расчёта материального баланса. Основными задачами этих расчетов являются:

─ определение расхода энергии на нагрев или охлаждение как на всю установку в целом, так и на каждый аппарат в отдельности. При этом рассчитываются количество топлива, теплоносителя или хладоагента, которое следует подвести для осуществления процесса;

─ расчет поверхности теплообмена, необходимой для подвода или отвода энергии в процессе. На основании рассчитанной поверхности определяются габаритные размеры аппаратов, выбираются их типы и марки по ГОСТам или другим нормативным документам.

Основным видом теплотехнического расчета является составление теплового баланса. Практический тепловой баланс в общем случае определяется простым уравнением:

ΣQ_приход = ΣQ_расход,

т.е. приход тепла в данной технологической операции равен расходу тепла в ней.

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций Δ Н, теплоты фазовых переходов (Q₁), теплосодержание веществ участвующих в процессе (Q₂), теплота, подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата (Q₃), тепловые потери (Q₄) в данной технологической операции:

Δ Н + Q₁ + Q₂ + Q₃ = Δ Н ¹+ Q₁¹ + Q₂¹ + Q₃¹ + Q₄¹ (3.1)

где: индекс (1) относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам. Тепловой эффект химической реакции по формуле:

ΔН = ΣΔН_{продукты реакции} – ΣΔН_{исходные вещества}, (3.2)

в которой значения энтальпии продуктов реакции и исходных веществ берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ рассчитывается по формуле:

Q₂ = m · c · t, (3.3)

где m – масса вещества,

c – его теплоёмкость,

t – температура.

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле:

Q₁ = m · q, (3.4)

где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации),

m – масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем по формуле:

Q₃ = m · C(t_н ─ t_к), (3.5)

где m – масса теплоносителя,

С – теплоемкость теплоносителя,

t_н и t_к – начальная и конечная температура носителя,

и по формуле теплопередачи через стенку:

Q₃ = K_т · F(t_т ─ t_пр) · t, (3.6)

где K_т – коэффициент теплопередачи,

F – поверхность теплообмена,

t_т – температура теплоносителя, обогревающего аппарат,

t_пр – температура подогреваемого продукта,

t – время.

Тепловой баланс рассчитывается для каждого аппарата в отдельности. По результатам теплотехнических расчетов аппаратов затем составляется таблица энергетических затрат по процессу в целом. Для расчета теплового баланса необходимо располагать следующими данными:

– величиной материальных потоков по контуру аппарата, причем необходимо знать материальный баланс не только по исходным и конечным продуктам, но и величину циркулирующих потоков, если они имеются;

– сведениями о температуре и давлении в аппаратах и о протекающих в них химических превращениях или фазовых переходах.

– важнейшими физико-химическими свойствами исходных и конечных продуктов (теплоёмкость, теплосодержание, энергия фазовых переходов и др.). Эти данные приводятся в справочниках физико-химических и термодинамических величин [приложение 1]. Если какие-либо данные в справочниках отсутствуют, то они могут быть рассчитаны исходя из других термодинамических данных или по эмпирическим уравнениям, а также могут быть определены с помощью различных номограмм [7].

При составлении теплового баланса следует учитывать особенности процесса, протекающего в аппарате. При расчете могут встретиться следующие типы процессов:

– процессы, протекающие с химическими превращениями. В этом случае для составления теплового баланса необходимо провести расчет теплового эффекта реакции;

– процессы, протекающие с фазовыми превращениями (испарение, кристаллизация, возгонка, плавление, конденсация, т.д.). В этих случаях при расчете теплового баланса следует учесть тепловой эффект фазового перехода;

– физические процессы, протекающие без фазовых превращений и в которых тепловые эффекты незначительны и ими можно пренебречь (экстракция, перемешивание, фильтрация и т.п.).

Тепловой эффект реакции при стандартных условиях определяется по закону Гесса (3.2). Пересчет теплового эффекта на рабочую температуру проводят по формуле Кирхгофа [ 8 ]. Величины тепловых эффектов фазовых переходов берутся из справочников. Для смесей углеводородов рекомендуется пользоваться справочником Г.Г. Рабиновича [9].

Определение размеров основного технологического оборудования (реакторы, ректификационные колонны, экстракторы и т.д.) производится на основании расчетов материальных потоков. Однако размеры реакторов и печей всегда проверяются тепловыми расчетами, для чего на основании тепловых расчетов определяется поверхность или объём аппаратуры с целью подтверждения возможности передачи расчетного количества тепла в аппарате. При этом размеры аппарата должны быть не меньше, чем размеры, полученные из тепловых расчетов.

Размеры аппаратуры, предназначенной для передачи тепла (трубчатые печи, теплообменники, холодильники и т.д.) определяются, в основном, из тепловых расчетов [10-11]. При этом определяется количество тепла, передаваемое в аппарате. Величина поверхности, необходимой для передачи этого количества тепла, определяется по формуле Ньютона [12].

Количество тепла или тепловая нагрузка аппарата определяются из баланса:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ = 0 (3.7)

где Q₁ – количество тепла, необходимого для подогрева, или количество холода, необходимого для охлаждения аппарата;

Q₂ – количество тепла, вводимого в аппарат с материальными потоками;

Q₃ – количество тепла, выделяющегося или поглощающегося в результате проведения процесса;

Q₄ – тепловые потери;

Q₅ – тепло, выносимое из аппарата материальными потоками.

Количество тепла, необходимое для поддержания заданной температуры процесса, обычно вводится в аппарат за счет сжигания топлива или подачи теплоносителя и определяется как суммарная теплотворная способность израсходованного топлива или количество тепла, созданное теплоносителем в аппарате. В случае необходимости охлаждения эта величина определяется как количество тепла, принятого хладоагентом от системы.

Потери тепла аппаратом в окружающую среду принимают равным 2-5 % от максимального значения суммы вносимого или уносимого тепла.